根據(jù)鑄型特點分類，有一次型鑄造(砂型鑄造、熔模鑄造、石膏型鑄造、實型鑄造等)、半永久型鑄造(陶瓷型鑄造、石墨型鑄造等)、永久型鑄造(金屬型鑄造、壓力鑄造、擠壓鑄造、離心鑄造等)；
根據(jù)澆注時金屬液的驅(qū)動力及壓力狀態(tài)分類，有重力作用下的鑄造和外力作用下的鑄造。金屬液在重力驅(qū)動下完成澆注稱自由澆注或常壓澆注。金屬液在外力作用下實現(xiàn)充填和補縮，如壓力鑄造、擠壓鑄造、離心鑄造和反重力鑄造等。
本章介紹的鑄造技術有：屬于重力充型的有砂型鑄造、金屬型鑄造和熔模鑄造；屬于外力充型的有壓力鑄造、離心鑄造和擠壓鑄造；屬于反重力鑄造的有低壓鑄造和差壓鑄造/真空吸鑄等。
鑄造業(yè)中砂型鑄造約占80％。型砂中粘土砂、水玻璃砂和樹脂砂等又占了90％的份額。三種型砂間的比例視各國具體情況而異，平均來看，大致為5：3：2。以型砂鑄造與其它鑄造方法相比，其缺點是：勞動條件較差，鑄件外觀質(zhì)量欠佳；鑄型只能使用一次，生產(chǎn)率低。優(yōu)點是：不受零件形狀、大小、復雜程度及合金種類的限制；造型材料來源廣，生產(chǎn)準備周期短，成本低。因此，砂型鑄造是鑄造生產(chǎn)中應用最廣泛的一種方法，世界各國用砂型鑄造生產(chǎn)的鑄件占總產(chǎn)量的80%~90%。
本章的重點在砂型鑄造。而鑄造用砂型的種類及制造是重中之重。
一、鑄造用砂型的種類及制造
（一）概述
1．砂型鑄造的特征及工藝流程
配制型砂—造型—合型—澆注—冷卻—落砂—清理—檢查—熱處理—檢驗—獲得鑄件
特征：使用型砂構(gòu)成鑄型并進行澆注的方法，通常指在重力作用下的砂型鑄造過程。
型砂——將原砂或再生砂+粘結(jié)劑+其它附加物等所混制成的混合物；鑄型——形成鑄件外觀輪廓的用型砂制成的空腔稱為鑄型；砂芯——形成鑄件內(nèi)腔的用芯砂制成的實體(用于制做砂芯的型砂稱為芯砂)；造型(芯)方法按機械化程度可分為手工造型(芯)和機器造型(芯)兩大類。選擇合適的造型(芯)方法和正確的造型(芯)工藝操作，對提高鑄件質(zhì)量、降低成本、提高生產(chǎn)率有極重要的意義。（1）手工造型(芯) 手工造型(芯)是最基本的方法，這種方法適應范圍廣，不需要復雜設備，而且造型質(zhì)量一般能夠滿足工藝要求，所以，到目前為止，在單件、小批生產(chǎn)的鑄造車間中，手工造型(芯)仍占很大比重。在航空、航天、航海領域應用廣泛。手工造型(芯)勞動強度大，生產(chǎn)率低，鑄件質(zhì)量不易穩(wěn)定，在很大程度上取決于工人的技術水平和熟練程度。手工造型方法很多，如模樣造型、刮板造型、地坑造型，各種造型方法有不同的特點和應用范圍。（2）機器造型(芯) 用機器完成全部或部分造型工序，稱為機器造型。和手工造型相比，機器造型生產(chǎn)率高，質(zhì)量穩(wěn)定，勞動強度低，對工人的技術要求不像手工造型那樣高。但設備和工藝裝備費用較高，生產(chǎn)準備時間長，一般適用于一個分型面的兩箱造型。機器造型(芯)主要適用于黑色金屬鑄件的大批量生產(chǎn)。在制造各砂型、芯的過程中，根據(jù)其本身建立強度時其粘結(jié)機理的不同，通?？煞譃槿箢悾?/span>（1）機械粘結(jié)劑型芯----以粘土為粘結(jié)劑的粘土型芯砂所產(chǎn)生的粘結(jié)；（2）化學粘結(jié)劑型芯----型芯砂在造型、芯過程中，依靠其粘結(jié)劑本身發(fā)生物理、化學反應達到硬化，從而建立強度，使砂粒牢固地粘結(jié)為一個整體。有機、無機粘結(jié)劑，其中無機粘結(jié)劑包括鈉水玻璃及硅溶膠，而有機粘結(jié)劑則包括熱硬、自硬和氣硬樹脂砂型（芯）；（3）物理固結(jié)----指用物理學原理產(chǎn)生的力將不含粘結(jié)劑的原砂固結(jié)在一起，磁型鑄造法、負壓造型法或真實密封造型法或薄膜負壓造型法，以及消失模造型法。（1）生產(chǎn)靈活性大，適用面廣，既可手工，又可機器、以及流水線生產(chǎn)，既可生產(chǎn)大件，也可生產(chǎn)小件，可鑄鋼（中小件），也可鑄鐵，有色合金等。（2）生產(chǎn)效率高，生產(chǎn)周期短，便于流水線生產(chǎn)，可實現(xiàn)機械化及自動化，汽車，柴油機，搶拖拉機行業(yè)應用最廣（300～500kg鑄鐵薄裂件）。(汽車缸體圖)(或生產(chǎn)車間全貌圖)（4）節(jié)省能源、烘干設備和車間生產(chǎn)場地面積。（6）缺點：操作不當，易產(chǎn)生一些鑄造缺陷：夾砂結(jié)疤，鼠尾，砂眼，脹砂，粘砂等。粘土濕型的配方為：原砂（或舊砂）100，粘土（膨潤土）1～5％，煤粉～8％，水～6％，以及其它附加物。其砂子是火成巖中穩(wěn)定的部分，主要成分為二氧化硅（SiO2）和少量的雜質(zhì)（Na,k,Ca,Fe等氧化物）。含SiO2極高的砂子稱石英砂，有高的熔點，1700℃，摩氏硬度7級（一般將材料分為10級，其中滑石為1級，金剛石為10級），隨夾雜物含量的增加，其耐火度下降，SiO2含量高，砂子的顏色接近無色透明，一般用石英砂色白并略帶灰色。鑄造生產(chǎn)所用的石英砂與建筑用砂不同，它有其特殊的要求，主要有：含泥量；顆粒組成；原砂顆粒形狀及表面狀況；原砂的礦物組成和化學成分等。生產(chǎn)中通常根據(jù)鑄件的合金種類、質(zhì)量、壁厚的不同來選定原砂的化學成分和礦物組成。例如鑄鋼的澆注溫度高達1500℃左右，鋼液含碳量較低，型腔中缺乏能防止金屬氧化的強還原性氣氛，與鑄型相接觸的界面上金屬容易氧化生成FeO和其它金屬氧化物，因而較易與型砂中的雜質(zhì)進行化學反應而造成化學粘砂。所以要求原砂中Si02含量應較高，有害雜質(zhì)亦應嚴格控制。鑄鋼件的澆注溫度愈高，壁厚愈厚，則對原砂中Si02含量的要求就愈高。
鑄鐵的澆注溫度一般在1400℃以下，鐵液中含有較多碳分，濕型澆注時型砂中加入有煤等附加物，能產(chǎn)生大量還原性氣氛，在與鑄型相接觸的界面上金屬基本不氧化，實際上濕型鑄鐵件無化學粘砂現(xiàn)象。燒結(jié)點指的是原砂顆粒表面或砂粒間混合物開始熔化的溫度。它是原砂各種組合成分耐火性能的綜合反應。所以，有時采用測定原砂燒結(jié)點的辦法能更直觀地說明原砂做為耐火材料的性能，而且可用來推測原砂中SiO2含量高低和雜質(zhì)多少。長石、云母及其雜質(zhì)中所含有的堿金屬氧化物(Na20、K20)、堿土金屬氧化物(CaO、MgO)等能與Si02和氧化鐵生成易熔物質(zhì)。例如Si02與NaO的質(zhì)量比為73：27的混合物，其熔點僅793℃．K2O與SiO2可形成熔點僅525℃低熔物, 燒結(jié)點低。硅砂缺點：熱膨脹系數(shù)比較大，而且在573℃時會因相變而產(chǎn)生突然膨脹-----鑄件若裂；熱擴散率比較低；容易與鐵的氧化物起作用等。這些都會對鑄型與金屬的界面反應起不良影響。在生產(chǎn)高合金鋼鑄件或大型鑄鋼件時，使用硅砂配制的型砂，鑄件容易發(fā)生粘砂缺陷，使鑄件的清砂十分困難。非石英質(zhì)原砂是指礦物組成中不含或只含少量游離Si02的原砂。在鑄鋼生產(chǎn)中已逐漸采用一些非石英質(zhì)原砂來配制無機和有機化學粘結(jié)劑型砂、芯砂或涂料。這些材料與硅砂相比，大多數(shù)都具有較高的耐火度、熱導率、熱擴散率和蓄熱系數(shù)，熱膨脹系數(shù)低而且膨脹均勻，無體積突變，與金屬氧化物的反應能力低等優(yōu)點，能得到表面質(zhì)量高的鑄件并改善清砂勞動條件。但這些材料中有的價格較高，比較稀缺，故應當合理選用。目前可用的非石英質(zhì)原砂有橄欖石砂、鋯砂、鉻鐵礦砂、石灰石砂、鎂砂、剛玉砂、鈦鐵礦砂、鋁礬土砂等。真正廣泛使用的仍為石英砂。粘土的礦物成分粘土是濕型砂的主要粘結(jié)劑。粘土被水濕潤后具有粘結(jié)性和可塑性；烘干后硬結(jié)，具有干強度，而硬結(jié)的粘土加水后又能恢復粘結(jié)性和可塑性。粘土主要是由細小結(jié)晶質(zhì)的粘土礦物所組成的土狀材料。粘土礦物的種類很多，按晶體結(jié)構(gòu)可分為高嶺石和蒙脫石等。通常根據(jù)所含粘土礦物種類不同將所采用的粘土分為鑄造用粘土(fireclay)和鑄造用膨潤土(bentonite)兩類。膨潤土主要是由蒙脫石組礦物組成的，主要用于濕型鑄造的型砂粘結(jié)劑。根據(jù)國家專業(yè)標準《鑄造用膨潤土和粘土》(JBlT 9227—1999)的規(guī)定，膨潤土中如果某一交換性陽離子量占陽離子交換容量的≥50％時，稱其為主要交換性陽離子，如果為鈉離子則稱為鈉膨潤土，以PNa表示(P是膨潤土代號)；如果為鈣離子，則稱為鈣膨潤土，以PCa表示。我國鈣基膨潤土資源較多，開采和供應比較方便。有時要根據(jù)粘土的陽離子交換特性，對鈣土進行處理，使之轉(zhuǎn)變?yōu)殁c基膨潤土。這種離子交換過程，通常稱為膨潤土的活化處理，最常用的活化劑為碳酸鈉。這一過程的化學反應機理簡單示意如下Ca2+一蒙脫石+Na2C03一-Na+一蒙脫石+CaC03+。粘土在水中形成的粘土-水體系是膠體，帶負電的粘土顆粒將極性水分子吸引在自己的周圍，形成膠團的水化膜，依靠粘土顆粒間的公共水化膜，通過其中的水化陽離子所起的“橋”或鍵的作用，使粘土顆粒相互結(jié)合起來，在水化膜中處在吸附層的水分子被粘土質(zhì)點表面吸附得很緊，而處于擴散層中的水分子較松，公共水化膜就是粘土膠粒間的公共擴散層。粘土和水量比例適宜時，才能獲得最佳的濕態(tài)粘結(jié)力（圖）。一般說來，粘土顆粒所帶電荷愈多或粘土顆粒愈細小，比表面積愈大，則濕粘結(jié)力愈大。
關于粘土顆粒與砂粒之間的粘結(jié)則被解釋為：砂粒因自然破碎及其在混碾過程中產(chǎn)生新的破碎面而帶微弱負電，也能使極性水分子在其周圍規(guī)則地定向排列。這樣，粘土顆粒與砂粒之間的公共水化膜，通過其中水化陽離子的“橋’’或鍵的作用，使粘土砂獲得濕態(tài)強度。生產(chǎn)中常用的混砂機有碾輪式(vertical wheel sand muller)、擺輪式(horizontal wheel sand muller，speed muller)、葉片式(blade mixer)等。各有優(yōu)缺點。生產(chǎn)1t鑄件約需要5-10t濕型型砂，配制型砂時都盡量回用舊砂(即重復使用過的型砂)，即經(jīng)濟也是保護環(huán)境的需要。但簡單地重復使用舊砂，會使型砂性能變壞，鑄件質(zhì)量下降。必須了解舊砂的特性，掌握其性能變化的規(guī)律，采取必要措施，才能保證和穩(wěn)定型砂的性能。混砂時還需向舊砂中補充加入新砂、膨潤土、煤粉和水等材料，才能使混制出的型砂性能符合要求。1）緊實度對鑄型性能的影響 型砂需要緊實才能成為整體的砂型。型砂的緊實程度常用緊實度(密度)和孔隙度表示。緊實度影響著鑄型的強度和透氣性。緊實度越大，鑄型強度越大，透氣性越差。緊實度高，蓄熱系數(shù)也高，加快了金屬的凝固冷卻速度，改善了鑄件的內(nèi)在質(zhì)量，組織更為致密，鑄件尺寸精確，力學性能有所提高。對高壓造型法的研究表明，鑄型緊實度高，澆注時型壁移動量小，鑄件尺寸精確，表面光潔。因此，鑄件可以做得更薄，進而減輕鑄件機器重量。2）型砂緊實度的要求 要求鑄型緊實度高且均勻。高壓造型法由于鑄型緊實度高，其鑄型性能和鑄件質(zhì)量普遍好于中低壓造型。高壓造型法的目的就在于制出均勻的高緊實度鑄型。理論和實驗研究證明其壓實方法和壓頭形式對緊實度有很大的影響。對濕型而言，通常有震擊緊實、震壓緊實、壓實、微震壓實和高壓緊實等，下面簡單介紹其緊實方法。（2）震擊緊實和震壓緊實 震擊緊實用震擊造型機來完成。多以壓縮空氣為動力，利用震擊動能和慣性使型砂緊實如圖2-3所示。將砂箱1放在模板2上，型板固定于震擊工作臺，與震擊活塞3相連，4為震擊氣缸。砂箱內(nèi)裝滿型砂后，打開進氣閥，使壓縮空氣進入震擊氣缸，推動活塞上升?；钊叱^排氣孔時，壓縮空氣由排氣孔逸出，氣缸中的壓力突然下降，此時震擊活塞連同砂箱模板下落，與震擊氣缸發(fā)生撞擊，砂箱中的型砂由于慣性力的作用而互相緊實。而后因出氣孔堵住，進氣孔進入的壓縮空氣壓力超過砂箱型板活塞等的重量，使工作臺上升，如此連續(xù)震擊，使型砂得以緊實。震擊高度一般為30~60mm，震擊次數(shù)30~50/min次為宜，一般不超過80次。震擊緊實適用于大砂箱，砂箱高度不低于150mm，否則緊實效果不好。其型砂緊實度沿砂箱高度是上松下緊，頂部型砂緊實度幾乎與震前一樣。為了克服震擊緊實砂箱上部型砂緊實度太松的缺點，可以先震擊使底部型砂緊實，再對頂部型砂補充壓實。這種經(jīng)震擊后再加壓的造型機叫做震壓造型機。震壓緊實型砂的緊實度分布好，特別是在砂箱不太高的情況下，壓實的影響可以達到分型面，這樣可以大大減少震擊次數(shù)，從而提高勞動生產(chǎn)率，節(jié)約能耗。但由于補加壓實以壓縮空氣為動力，比壓較低，故多用于中小砂箱的型砂緊實。震擊造型機和震壓造型機的結(jié)構(gòu)都比較簡單，操作維修方便，適用性強，一般中小型鑄件都適用。但是震擊式造型機工作時噪音太大，強烈的震動也對廠房建筑提出了較高的標準。（3）壓實、微震壓實和高壓緊實 壓實緊實是通過壓實造型機來完成的，多以壓縮空氣為動力對型砂壓實緊實，其工作原理如圖2-4所示。打開進氣閥，壓縮空氣由進氣孔進入壓實氣缸4，將活塞3舉起，當砂箱2內(nèi)的型砂碰到壓頭1時，就發(fā)生壓實作用。型砂壓實后，打開排氣閥，氣缸中的壓縮空氣排出，活塞立即下降，壓實工作完成。這種緊實較震擊緊實的效率高，噪音很小，機器結(jié)構(gòu)也很簡單。缺點是型砂緊實度不均勻，上緊下松。適用于砂箱高度不超過150mm而底面積一般不超過800×600mm的鑄型。微震壓實造型是在型砂受壓的同時，模板、砂箱和型砂作高頻小振幅(10-13Hz，3-8mm，普通震擊造型的震擊頻率和振幅分別為1.1-3.3Hz，30-80mm)的一種造型方法，其原理如圖2-5所示。當壓縮空氣經(jīng)過工作臺的進氣孔進入微震氣缸后(圖a)，在壓縮空氣的壓力作用下，微震活塞與固定在工作臺上的模板、砂箱上升；同時壓縮空氣的壓力還使微震氣缸向下運動，壓縮微壓氣缸下的彈簧(圖b)；當微震活塞上升至打開排氣孔時(排氣孔面積是進氣孔的6~7倍)，缸內(nèi)氣壓迅速降低，工作臺等靠自重下落，而微震氣缸受彈簧作用上升，二者發(fā)生撞擊(圖c)，使砂箱內(nèi)的型砂獲得一次緊實。這樣多次重復，型砂就能較為迅速地達到預定的緊實度要求。微震壓實造型比單純壓實效果好，在相同壓力下，能獲得更高的緊實度，相當于提高比壓30~50%，而且砂型的緊實度分布比較均勻；生產(chǎn)率高，每小時可達120箱以上，鑄件質(zhì)量較好；震擊噪音小，勞動條件好，并可降低對廠房基礎的要求；機器使用可靠，維修方便，價格也比較低廉。其主要缺點是仍有一定的噪音。微震壓實造型在中小鑄件的生產(chǎn)中已得到較為廣泛的應用。（圖2－5 氣動微震造型工作原理）上述壓實造型是中低壓壓實，其壓實比壓為0.4MPa左右。近年來，國內(nèi)外大量發(fā)展和采用高壓壓實造型機。用高壓造型機造型時，由于壓實比壓提高到0.7Mpa以上，砂型硬度、緊實度和強度都大為提高，沿砂箱高度方向的緊實度分布得到有所改善，砂型輪廓清晰，可以得到尺寸比較準確的鑄件（可達CT7~8級），表面光潔（Ramax=3.2~2.5μm）；由于鑄型緊實度高，蓄熱系數(shù)也高，加快了金屬凝固、冷卻速度，改善了鑄件內(nèi)部質(zhì)量，提高了力學性能；節(jié)約金屬，減少加工余量及費用；壓實緊砂工藝簡單、生產(chǎn)率高（200~300箱砂型/h），易于機械化，噪音小，勞動強度低；適應性強，能制造復雜、較大的鑄件。其缺點是機器結(jié)構(gòu)復雜，生產(chǎn)線投資大；要求工藝裝備精度高，剛性大；要求有較高的設備維修保養(yǎng)能力。高壓造型適用于成批大量生產(chǎn)、砂箱尺寸較大、鑄件較復雜及要求較小的尺寸公差和表面粗糙度低的鑄件的生產(chǎn)。（4）氣流沖砂緊實 氣流沖擊緊實造型是將壓力為0.4~0.6MPa的壓縮空氣以均勻的氣流沖擊型砂表面，使型砂緊實的造型新方法（圖2-6）。鑄型的緊實機構(gòu)采用脈沖發(fā)生器（沖擊頭），其結(jié)構(gòu)似儲氣罐(圖2-6a)，內(nèi)有一小室3，室內(nèi)壓縮空氣壓力通常為0.4~0.6MPa，稱為過剩壓力。小室外部壓縮空氣壓力通常比室內(nèi)空氣壓力低0.1MPa，稱為儲氣罐壓力。砂箱7和輔助框6充滿型砂，移到?jīng)_擊頭下邊并被壓緊后，打開單向快開閥2，室內(nèi)壓縮空氣的過剩壓力驟然下降，強制打開隔膜閥5，使壓縮空氣迅速加速而產(chǎn)生氣流沖擊，繼而由于空氣急劇膨脹而形成壓力波，其速度可達800m/s以上；壓力波在若干毫秒內(nèi)穿透整個砂型，使砂型緊實。氣流沖擊造型的主要優(yōu)點是：砂型緊實度均勻，砂型硬度高，鑄件尺寸精度和光潔程度都得到提高；造型機結(jié)構(gòu)簡單，噪音?。簧a(chǎn)率高，勞動條件好；砂型充填性好，吃砂量少，可節(jié)約型砂及混砂能耗；適應性強，既可利用高壓造型型砂，也可利用普通機器造型型砂。缺點是仍然有一定的噪音；砂箱或芯盒必須有足夠的強度和剛度。鑄造生產(chǎn)中應用最廣泛的無機化學粘結(jié)劑是鈉水玻璃。此類型芯砂與粘土砂比較，有下列優(yōu)點：(1)型(芯)砂流動性好，易于緊實，故造型（芯）勞動強度低。(2)硬化快，強度較高，可簡化造型（芯）工藝，縮短生產(chǎn)周期，提高勞動生產(chǎn)率。(4)可取消或縮短烘烤時間，降低能耗，改善工作環(huán)境和工作條件。水玻璃是各種聚硅酸鹽水溶液的通稱。鑄造上最常用的是鈉水玻璃(Sodiumsilicate water glass)，因其便宜，來源充足；其次為鉀水玻璃，此外還有鋰水玻璃、鉀鈉水玻璃、季銨鹽水玻璃等，分別是硅酸鈉(Na20·mSi02)、硅酸鉀(K20，nSi02)、硅酸鋰(Li20·mSi02)、硅酸鉀鈉(mK20·Na20·nSi02)、季銨鹽的水溶液。硅酸鈉是弱酸強堿鹽，干態(tài)時為白色或灰白色團塊或粉末，溶于水時，純的鈉水玻璃外觀為無色粘稠液體，由于含鐵鹽而呈灰色或綠色,pH值一般在11-13。鈉水玻璃的化學式為Na20·mSi02·nH20。鈉水玻璃有幾個重要參數(shù)，直接影響它的化學和物理性質(zhì)，也直接影響鈉水玻璃砂的工藝性能，這就是鈉水玻璃的模數(shù)、密度、含固量和粘度等。鈉水玻璃中Si02和Na20的摩爾數(shù)之比稱為模數(shù)，用M來表示。模數(shù)的大小僅表示鈉水玻璃中SiO2、Na2O的摩爾數(shù)之比，并不表示鈉水玻璃中硅酸鈉的質(zhì)量分數(shù)。但是模數(shù)改變，鈉水玻璃結(jié)構(gòu)及其物理—化學性質(zhì)也會發(fā)生變化，因為模數(shù)的大小直接影響硅酸陰離子的聚合度，聚合度越高，模數(shù)也越大。模數(shù)越高，作為芯(型)砂粘結(jié)劑時的硬化速度也越快，達到最高強度的時間也越短。但過高的模數(shù)，將使芯(型)砂的保存性差，不適于造型和造芯。鈉水玻璃模數(shù)可以通過化學的方法降低或提高。降低鈉水玻璃模數(shù)可加入適量的NaOH，以提高水玻璃中Na20的質(zhì)量分數(shù)，從而相對地減少Si02的質(zhì)量分數(shù)。鑄造生產(chǎn)中，吹C02硬化時常用模數(shù)為2的鈉水玻璃。鈉水玻璃的密度P取決于鈉水玻璃中水的質(zhì)量分數(shù)，而不是它的模數(shù)，因為Na2O （62）和Si02(60)(括號中數(shù)值為相對分子質(zhì)量)的相對分子質(zhì)量數(shù)值很近似。密度低，水的質(zhì)量分數(shù)高，含固量少，不宜用作型(芯)砂粘結(jié)劑；反之，密度過大，粘稠，也不便定量和不利與砂子混合。鑄造上通常采用密度為1．32-1．68g／cm3或波美度35-54的鈉水玻璃。硅酸鈉是弱酸強堿鹽，在水溶液中幾乎完全電離，所以鈉水玻璃實際是部分電離的聚硅酸負離子和鈉離子在水中的分散體系。不同硅酸鹽負離子的平衡是錯綜復雜的，它取決于pH值、模數(shù)和溫度，在若干特有的反應過程中達到平衡。其中最有意義的反應是硅酸鈉(以=Si-0-Na表示)的鈉-氧鍵水解(hydrolysis)(向右進行)和酸-堿反應(向左進行).，硅氧烷鏈(Si-0-Si(siloxane linkage)沿線性方向生長，就形成高聚物(polymcr)；當它在三維空間任意生長時，就形成凝膠(gel)，這就導致了鈉水玻璃的硬化。如果沒有任何膠凝作用的影響，鈉水玻璃則可保存很長時間，但它對引起平衡變化的任何因素卻非常敏感，這一潛在不穩(wěn)定特性，通常被用來加速鈉水玻璃的縮聚，以形成堅硬的三維的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使型砂粘結(jié)在一起。鑄造生產(chǎn)中常用的一些硬化方法，都是加入能直接或間接影響上述反應平衡點的氣態(tài)、液態(tài)或粉狀固化劑，與OH-作用，從而降低pH值，或靠失水，或靠上述二者的復合作用來達到硬化。(1)加熱硬化----失水發(fā)生由液態(tài)到固態(tài)的轉(zhuǎn)變凡是能去除鈉水玻璃中水分的方法，如加熱烘干、吹熱空氣或干燥的壓縮空氣、真空脫水、微波照射以及加入產(chǎn)生放熱反應的化合物等都可使鈉水玻璃硬化。圖是Na20、Si02和H20三元系統(tǒng)的常溫狀態(tài)圖。其中鑄造行業(yè)所用的商品液體鈉水玻璃，是圖中陰影部分(區(qū)域9，M=2.0—3.3，p=1．2—1．7g／cm3)，當這種水玻璃與砂混合制成砂芯(型)時，如果用加熱(或用熱空氣)方式硬化，會按圖中帶箭頭虛線指示的方向，液體鈉水玻璃先變成粘稠液體，接著成為半固體，再變成脫水液體。鈉水玻璃在pH值大于10以上很穩(wěn)定，加入適量酸性或具有潛在酸性的物質(zhì)時，其pH值降低，穩(wěn)定性下降，使水解和縮聚過程加速進行。圖為pH值對鈉水玻璃膠凝時間的影響曲線，曲線呈大寫“N”字形,即著名的“N曲線”。膠凝速度最快的pH值，亦即曲線的最低點在6.8到7.1之間；鈉水玻璃穩(wěn)定性最好、膠凝速度非常慢的pH值，也就是曲線的最高點，在3.2-3.9和10以上。CO2 + H20---- 2H+ + C032-產(chǎn)生的H+使表面鈉水玻璃的pH值不斷降低，并達到迅速硬化。鈉水玻璃同C02反應，消耗Na20，把凝膠化的水玻璃推到圖的不穩(wěn)定液體和凝膠區(qū)域(圖區(qū)域11)。這種Si02凝膠含$i02高，并使砂芯和砂型建立強度。C02是一種脫水能力相當強的氣體，從砂粒周圍流過，C02與粘結(jié)劑接觸面積大，使鈉水玻璃部分失水，因此，C02硬化既有鈉水玻璃的物理脫水作用，也有化學反應，兩種機理難以截然分開，通常其粘結(jié)是兩種作用的結(jié)果。(哪一種作用占主導地位?)采用C02法硬化，有人認為僅發(fā)揮了鈉水玻璃粘結(jié)性能的10％，：因此不得不把砂中鈉水玻璃加入量提高到6％-7％(質(zhì)量分數(shù))。圖所示為C02硬化后包裹在砂粒表面的鈉水玻璃膜的結(jié)構(gòu)模型，膜由兩層組成，表層Ι的主要成分是硅酸膠體以及Na2C03和NaHC03結(jié)晶(粉化即白霜)，里層Ⅱ的主要成分是尚未反應的硅酸鈉膠體。酯促使鈉水玻璃砂硬化建立強度分兩階段，酯使鈉水玻璃膠凝化，產(chǎn)生強度；最終強度來自硅酸鈉脫水。用酯硬化時，酯在鈉水玻璃中進行水解生成有機酸和醇，有機酸提供氫離子，其反應通式是RCOOR’+H2O-------RCOOH+R’OHRCOO-與鈉水玻璃電離的鈉離子Na+發(fā)生皂化反應，生成脂肪酸鈉；H+與鈉水玻璃的OH-結(jié)合，均有利于酯的進一步水解和使鈉水玻璃析出硅酸溶膠，并促使朝著生成大的凝聚的硅酸分子方向移動，當它在三維空間任意生長時，就形成凝膠，這就導致鈉水玻璃硬化。①所得到的粘結(jié)劑膜組織的密度和有序性排列不同，因而影響強度的大小，其順序為加熱硬化、酯硬化、鉻鐵渣硬化、CO2硬化，相應的粘結(jié)膜的內(nèi)聚強度為41MPa、29.8MPa、20.5MPa、14.9MPa；②所得鈉水玻璃的凝膠膠粒大小明顯不同，C02硬化的膠粒直徑為0.2—0.48μm，酯硬化的為0.07-0.18μm，真空硬化的為0.06-0.16μm，加熱硬化的只有0.035-0.04μm，因而強度會明顯不同。還可使用硅溶膠、植物油、樹脂等作為粘結(jié)劑形成不同類型的砂型。
